基于PSR-物元可拓模型的埋地原油管道風險分析

劉嘉興 孫東 鈔恒先 白會人 雷永

1大連大學(xué)建筑工程學(xué)院

2河南油田石油工程技術(shù)研究院

3中國石化河南油建工程有限公司

4中國石油青海油田分公司采油五廠

原油管道的管理是國家戰(zhàn)略規(guī)劃中的一項重要工作，國家發(fā)改委、國家能源局聯(lián)合發(fā)布的《中長期油氣管網(wǎng)規(guī)劃》指出，我國原油管道在2015 年達到了27 000 km，到2025 年將增長至37 000 km，年均增加3.7%[1]。而原油管道的失效可能會造成重大的后果，如經(jīng)濟損失和對社會環(huán)境影響等，因此進行埋地原油管道安全風險分析具有重要意義。

目前國內(nèi)外對于管道內(nèi)風險分析研究主要集中在單一因素或者模糊綜合評價分析上。例如采用肯特方法[2]和云模型[3]評價原油管道泄漏風險，采用層次分析法和模糊數(shù)學(xué)理論[4]評價第三方破壞的失效概率，應(yīng)用蒙特卡羅模擬技術(shù)[5]對管道爆裂進行可靠性分析，采用腐蝕模型來計算管道剩余強度[6]及壽命預(yù)測[7]。由于管道處于地下，獲取管道數(shù)據(jù)難度大，因此，在評價管道性能時一般假定管道物理參數(shù)都具有確定性值，且呈不同程度的變化，但是沒有考慮到因素之間的相互影響。

本文為了綜合考慮埋地原油管道外部載荷變化、制造材料變化，以及內(nèi)部壓力、環(huán)境影響引起的變壞等內(nèi)部和外部因素相互影響，采用基于PSR-物元可拓風險分析方法，建立相應(yīng)的風險分析模型，并應(yīng)用于河南油田分公司（魯南段）的原油管道工程。

1 埋地原油管道PSR 風險分析

“壓力”指標（即Pressure）：指本文所研究的埋地原油管道面對的壓力，主要包括自然、人為、社會等方面，根據(jù)文獻研究及工程實際，本文將地下空洞、土質(zhì)疏松區(qū)域、地面沉降、管道占壓、施工破壞、人為破壞、植被根系破壞、地震、凍融循環(huán)[8]等風險源歸為“壓力”指標。

“狀態(tài)”指標（即State）：指本文所研究的埋地原油管道自身的狀態(tài)，主要包括自身、設(shè)計、其他因素等方面，根據(jù)文獻研究及工程實際，本文將管道腐蝕、管道缺失、管道強度不足、接口情況不良、變形位移、超期服役、管道壓力不均、管線埋深、管線涂層厚度[9]等風險源歸為“狀態(tài)”指標。

“響應(yīng)”指標（即Response）；指各部門面對上述壓力指標、狀態(tài)指標所做出的反應(yīng)，以保證埋地原油管道的安全運行。根據(jù)文獻研究及實例，本文將公共教育、巡線力度、地面設(shè)施、管道用地標志、法律法規(guī)[10]等歸為響應(yīng)指標。

2 研究方法

2.1 ANP 法確定權(quán)重

ANP 法能更準確地描述客觀事物之間的聯(lián)系，更適應(yīng)于復(fù)雜系統(tǒng)的決策過程[11]，ANP 可體現(xiàn)許多復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)內(nèi)部元素之間的聯(lián)系與互相反饋的作用過程。

（1）借助超級決策（Super Decision，SD）軟件建立網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖[12]（圖1），并對超矩陣進行計算，最后得出評價指標的權(quán)重。

圖1 埋地原油管道安全風險源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.1 Network structure of safety risk sources for buried crude oil pipelines

（2）根據(jù)埋地原油管道風險源之間的相互影響關(guān)系，對風險源之間的重要程度進行兩兩比較，構(gòu)造出風險源之間的判斷矩陣，并且進行一致性檢驗，當檢驗值小于0.1 時則通過檢驗，證明判斷矩陣成立。

（3）運用SD 軟件先計算未加權(quán)超矩陣，再計算加權(quán)超矩陣，最后計算埋地原油管道的風險源權(quán)重[13]。

2.2 物元可拓理論

1983 年，我國學(xué)者將物元理論與可拓理論相結(jié)合總結(jié)出物元可拓理論，它是從定性與定量兩方面來研究、解決問題的一種形式化工具[14]。傳統(tǒng)的肯特危險指數(shù)法是將影響管道各個因素獨立計算，沒有考慮因素之間的關(guān)系。

針對埋地原油管道具有的評價指標較多，單因素不相容性及模糊性，物元可拓理論可以綜合埋地原油管道各種因素信息，評價結(jié)果最終以定量的數(shù)值表示，從而較完整、客觀地評價埋地原油管道安全等級[15]。

2.3 埋地原油管道風險分析物元確定

物元分析中所表述的對象，即埋地原油管道安全風險分析為“物N”、埋地原油管道安全“特征c”，及N關(guān)于c的特征值v，共同構(gòu)成埋地原油管道風險分析的一維物元。如果分析或評價對象N有n個特征向量c1，c2，…，cn和相應(yīng)的特征值v1，v2，…，vn描述，可表示為如下公式

式中：R為n維埋地原油管道安全物元，記為R=(N,c,v)

2.4 埋地管道風險分析的經(jīng)典域、節(jié)域確定

埋地原油管道的經(jīng)典域物元矩陣可以表示為

式中：Roj為埋地原油管道風險源的經(jīng)典域；Noj為所劃分的第j個安全等級（j=1,2,…,n）；ci為第i個評價指標（i=1,2,…,n）；()aojn,bojn為ci對應(yīng)的評價指標的取值范圍，即經(jīng)典域。

埋地原油管道的節(jié)域物元矩陣可以表示為

式中：Rp為埋地原油管道風險源的節(jié)域；Np為埋地原油管道風險分析全體風險因素；vpi=(apn,bpn)，為Np對應(yīng)的評價指標的取值范圍，具體劃分見表1。

2.5 待評物元模型確定

待評物元模型為

公式（4）中待評價對象Nx的物元表示為Rt。

2.6 關(guān)聯(lián)函數(shù)確定

令有界區(qū)間Vo=[a,b]的模定義為

某點v到[a,b]的距離為

表1 各個指標對各評價等級的閾值Tab.1 Threshold value of each index to each evaluation level

所以埋地原油管道評價指標關(guān)聯(lián)度

式中Kj(vi)為待評價對象的各評價指標關(guān)于各安全等級j的關(guān)聯(lián)度。

Kj(vi)=maxKj(vi)，則評價指標vi屬于安全等級j。

2.7 安全等級確定

根據(jù)ANP 法確定各指標Ci的權(quán)重Wi，，計算待分析的埋地原油管道Rt關(guān)于等級的加權(quán)關(guān)聯(lián)度為

式中：Kj(Rt)為待分析埋地原油管道Rt的符合評價等級的隸屬度。

根據(jù)關(guān)聯(lián)度最大的原則，選擇Kj(Rt)最大值作為待評埋地原油管道Rt最可能處于的評價等級。

式中：j?為待評埋地原油管道Rt的變量特征值，通過j?就可以得知Rt偏向哪個等級。

3 應(yīng)用實例

河南油田分公司（魯南段）原油管道工程是國家原油及成品油管道重點項目，工程地處山東半島南翼、魯蘇兩省交界，位于北緯34°～35°之間，屬魯東丘陵。管徑為762 mm，壓力為9.0/7.5 MPa，輸送量可達1 000 t/a，管頂覆土0.8～1.2 m，石方段管溝超挖0.2 m。沿線地層分為粉質(zhì)黏土、粉土、素填土等，且土壤對鋼結(jié)構(gòu)具有中度腐蝕性，部分土壤具有較強的腐蝕性。管道大部分位于耕地內(nèi)，沿線分布有河流（3 m 內(nèi)未見地下水）及道路穿越，大部分地段有其他并行（交叉）管線。

根據(jù)中石化河南油田分公司、大連理工大學(xué)博士等10 位專家經(jīng)驗以及該工程的實際情況，對該埋地原油管道工程風險評價等級進行判斷，結(jié)果見表1，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分別表示好、較好、中等、差。

根據(jù)前文所述的計算步驟所得關(guān)聯(lián)度值見表2，最終評價結(jié)果見表3。

表2 埋地原油管道指標關(guān)聯(lián)度數(shù)值Tab.2 Correlation value of buried crude oil pipeline index

表3 埋地原油管道風險分析總體評價結(jié)果Tab.3 Overall evaluation results of risk analysis for buried crude oil

4 結(jié)論

采用PSR 模型和物元可拓分析的方法，研究了多種因素共同作用下埋地原油管道的失效風險，得出如下結(jié)論：

（1）通過PSR 模型，構(gòu)建了埋地原油管道安全風險多指標評估模型。由于所提出的模型是針對河南油田某特定原油管道工程，因此該結(jié)果對于該工程的埋地原油管道的風險更為適用。但是，本文所介紹的方法是通用的，要將所建模型運用到其他管道，需要根據(jù)其他管道的實際情況進行判斷。

（2）將物元可拓模型應(yīng)用于埋地原油管道實際工程中并進行安全風險評估，得出該工程風險等級在Ⅰ級和Ⅱ級之間，風險等級變量特征值j?=1.830 1，為Ⅱ級，但是并未達到Ⅱ級。對該埋地原油管道工程，以后應(yīng)在巡線力度方面加強管理，并時刻關(guān)注其腐蝕情況。

（3）PSR-物元可拓模型為埋地原油管道評估提供了一種方法，量化了發(fā)生事故的風險。本文對其影響指標進行了初步探討，基于事故鏈演化的埋地原油管道風險分析亟待研究。